中國科大郭光燦院士團隊鄒長鈴教授與清華大學交叉信息研究院孫麓巖教授、賓夕法尼亞州立大學Mourad Oudich和Yun Jing教授等開展合作研究，在拓撲聲子學與集成聲子電路（Phononic Integrated Circuits, PnICs）領(lǐng)域取得重要進展。研究團隊首次在非懸空、片上大規(guī)模可拓展的微米尺度波導(dǎo)中，實現(xiàn)了1.5 GHz頻率的拓撲聲子邊緣態(tài)與魯棒Thouless泵浦，并研制出具備電調(diào)功能的拓撲聲子馬赫-曾德爾干涉儀聲學開關(guān)和調(diào)制器。這一重要研究成果以《Gigahertz topological phononic circuits based on micrometer-scale unsuspended waveguide arrays》為題，于8月25日在國際知名學術(shù)期刊《自然·電子》（Nature Electronics）發(fā)表。

聲子集成線路作為繼電子、光子之后的新一代片上信息傳播載體，在經(jīng)典和量子信息處理中具有巨大的應(yīng)用潛力，涵蓋微波信號處理、精密傳感和量子頻率轉(zhuǎn)換等多個方向。然而，傳統(tǒng)聲子器件面臨諸多技術(shù)瓶頸：工作頻率低、依賴于懸空結(jié)構(gòu)、缺乏有效的動態(tài)調(diào)控手段，且對制造缺陷的容錯能力不足，嚴重制約了其發(fā)展。

圖1.GHz頻段的非懸空可重構(gòu)拓撲聲子芯片示意圖

研究團隊創(chuàng)新性地利用藍寶石基底和氮化鎵芯片材料的高聲學折射率對比度，設(shè)計了微米尺度的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，成功將聲波有效限制在芯片表面(圖1b)。這項研究首次實現(xiàn)了工作頻率達1.5 GHz的可重構(gòu)、非懸空、集成式拓撲聲子波導(dǎo)陣列（圖1a）。該芯片巧妙利用相鄰波導(dǎo)間倏逝場耦合，構(gòu)建了等效“一維非對角Aubry-André-Harper模型”的拓撲聲子晶格。通過自主搭建的高靈敏度（30fm/Hz）振動探測儀，成功觀測到了拓撲聲學邊界態(tài)、Thouless泵浦效應(yīng)，并驗證了其對結(jié)構(gòu)缺陷的魯棒性。此外，團隊基于自主開發(fā)的聲學模式展開算法，實現(xiàn)對厘米級長度的多波導(dǎo)復(fù)雜耦合結(jié)構(gòu)中聲波傳輸?shù)母呔?、高效率的?shù)值仿真計算，計算結(jié)果與實驗結(jié)果高度吻合。

圖2.基于聲學馬赫-曾德爾干涉儀的可重構(gòu)拓撲聲子線路

基于拓撲泵浦結(jié)構(gòu)，研究團隊進一步設(shè)計并實現(xiàn)了拓撲Y分束器和可重構(gòu)拓撲聲子線路（圖2）。利用熱聲效應(yīng)原理，僅需25V電壓即可在干涉儀兩臂間引入π相位差，實現(xiàn)對拓撲聲子傳輸路徑的快速電控切換。通過施加高速射頻信號，器件還可以實現(xiàn)對聲波的強度調(diào)制，3 dB調(diào)制帶寬達650 Hz。為未來開發(fā)基于規(guī)?；負渎曌泳€路的信息處理應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

這項工作為解決大規(guī)模集成聲子電路在高頻、可重構(gòu)、魯棒性等方面的核心技術(shù)難題提供了創(chuàng)新解決方案，充分展示了拓撲聲子學在微波聲學芯片領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。該技術(shù)平臺具有與光子學器件和超導(dǎo)量子器件集成的天然優(yōu)勢，為未來經(jīng)典與量子信息處理提供了全新的混合集成技術(shù)路徑，有望推動聲子芯片在5G/6G射頻前端、微波光子雷達、量子接口等戰(zhàn)略性領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

中國科學技術(shù)大學物理學院徐新標特任副研究員、美國賓夕法尼亞州立大學Mourad Oudich助理教授和曾遇博士研究生為論文的共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金委、北京國家凝聚態(tài)物理實驗室、中國科學技術(shù)大學“雙一流”建設(shè)經(jīng)費等項目的大力支持。